analysis of seasonal extreme flows using peaks over threshold method
analysis of seasonal extreme flows using peaks over threshold method analysis of seasonal extreme flows using peaks over threshold method
Analysis of seasonal extreme flows using Peaks over threshold method In: Hydrologie malého povodí 2005, ISBN 80-02-01754, Ústav pro hydrodynamiku, 119–124. HUNTINGTON T.G., 2006: Evidence for intensification of the global water cycle: Rewiev and synthesis. J. Hydrol., 319, 83–95. KITE G.W., 1977: Frequency and risk analysis in hydrology. Water Res. Publications, Fort Collins, CO. LABAT D., GODDÉRIS Y., PROBST J. L., GUZOT J. L., 2004: Evidence for global runoff increase related to climate warming. Adv. Water Resour., 27, 631–642. LINSLEY R.K., KOHLER M.A., PAULHUS J.L.H., 1949: Applied hydrology. McGraw-Hill, New York, NY. MANABE S., WETHERALD R.T., MILLY P.C.D., DEL- WORTH T.L., STOUFFER R.J., 2004: Century-scale change in water availability: CO2-quadrupling experiment. Climatic change, 64, 59–76. McCUEN R.H., BEIGHLEY R.E., 2003: Seasonal flow frequency analysis. J. Hydrol., 279, 43–56. MICEVSKI T., FRANKS S.W., KUCZERA G., 2006: Multidecadal variability in coastal eastern Australian flood data. J. Hydrol., 327, 219–225. MILLY P.C.D., DUNNE K.A., 2001: Trends in evaporation and surface cooling in the Mississippi River basin. Geophys. Res. Lett., 28, 1219–1222. MILLY P.C.D., WETHERALD R.T., DUNNE K.A., DEL- WORTH T.L., 2002: Increasing risk of great floods in a changing climate. Nature, 415, 514–517. OUARDA T.B. CUNDERLIK J.M., ST-HILAIRE A., BAR- BET M., BRUNEAU P., BOBÉE B., 2006: Data-based comparison of seasonality-based regional flood frequency methods. J. Hydrol., In Press. PEKÁROVÁ P., KONÍČEK A. MIKLÁNEK P., 2005: Landuse impact on runoff regime in experimental microbasins of IH SAS. (In Slovak with English summary.) VEDA SAS, Bratislava, 216 pp.. PETERSON B.J., HOLMES R.M., McCLELLAND J.W., VOROSMARTY C.J., LAMMERS R.B., SHIKLO- MANOV A.I., SHIKLOMANOV I.A., RAHMSTORF S., 2002: Increasing river discharge to the Arctic Ocean. Science, 298, 2171–2173. RAO A. R., HAMED K. H., 2000: Flood frequency analysis. CRC Press LLC, N.W. Corporate Blvd., Boca Raton, Florida. SHARMA R.H., SHAKYA N.M., 2006: Hydrological changes and its impact on water resources of Bagmati watershed, Nepal. J. Hydrol., 327, 315–322. SVOBODA A., PEKÁROVÁ P., 1998: Catastrophic flood of July 1998 in the Malá Svinka catchment – its simulation. J. Hydrol. Hydromech., 46, 6, 356–372. VÖRÖSMARTY C.J., SAHAGIAN D., 2000: Anthropogenic disturbance of the terrestrial water cycle. Bioscience, 50, 753–765. WALTER M.T., WILKS D.S., PARLANGE J.-Y., SCHNEI- DER R.L., 2004: Increasing evapotranspiration from the conterminous United States. J. Hydrometeorol., 5, 405–408. WERRITTY A., 2002: Living with uncertainty: climate change, river flows and water resources management in Scotland. The Sci. of the Total Environ., 294, 29–40. ZHANG X., HARVEY K.D., HOGG W.D., YUZYK T.R., 2001: Trends in Canadian stream flow. Wat. Resour. Res., 37, 987–998. ZHANG Q., LIU CH., XU CH., XU Y., JIANG T., 2006: Observed trends of annual maximum water level and streamflow during past 130 years in the Yangtze River basin, China. J. Hydrol., 324, 255–265. Received 11. August 2006 Scientific paper accepted 7. December 2006 VYUŽITIE METÓDY (POT) PRIETOKOV NAD ZVOLENOU PRAHOVOU HODNOTOU PRI ANALÝZE EXTRÉMNYCH SEZÓNNYCH PRIETOKOV Peter Bača, Veronika Bačová Mitková V súvislosti s klimatickými zmenami je väčšia pozornosť venovaná frekvencii výskytu extrémnych hydrologických situácií. Labat a kol. (2004) sa domnieva, že zvyšovanie odtoku z veľkých kontinentálnych riek počas rokov 1920–1995 poskytuje prvý dôkaz, ktorý demonštruje súvislosť medzi globálnym otepľovaním a intenzifikáciou globálneho hydrologického cyklu. Na zvýšenú frekvenciu výskytu extrémnych prietokov a zvyšovanie odtoku v rozdielnych regiónoch poukazujú viacerí autori (Foster a kol., 1997; Milly a kol., 2002; Peterson a kol., 2002; Werritty, 2002; Walter a kol., 2004; Micevski a kol., 2006). Podľa Zhanga a kol. (2006) nie je zvyšovanie frekvencie výskytu ročných maximálnych vodných stavov spôsobený jediným faktorom akým je klimatická zmena, ale komplexom faktorov, akými sú zmeny ľudských aktivít. Vörösmarty a Sahagian (2000) uvádzajú, že zvyšovanie odtoku môže byť pripísané napríklad odlesňovaniu. Naopak, znovu zalesňovanie poľnohospodárskych území môže znížiť hodnoty odtoku. Na druhej strane merané údaje nepoukazujú na zmeny alebo zvyšovanie veľkosti a frekvencie povodní (Aizen a kol., 1997; Zhang a kol., 2001; Holko a Kostka, 2005). Hoci klimatické zmeny sú globálnym problémom, ich vplyv a trendy sú rozdielne v závislosti od veľkosti územia. Analýzy by mali byť uskutočnené radšej v menšej ako vo veľkej mierke (Sharma a Shakya, 2006). Náhle povodne (Flash floods) spôsobené prívalovými zrážkami sa vyskytli na Slovensku v posledných rokoch na malých povodiach (Grešková, 2005). Výsledky, ktoré prezentujú Svoboda a Pekárová (1998) ukazujú, že, intenzívne zrážky v regióne Karpatského flyša, ktoré spadnú na malé povodie nasýtené predchádzajúcimi výdatnými zrážkami, môžu vyvolať povodeň s dobou opakovania 500 rokov. Najčastejšie sa pri pravdepodobnostných frekvenčných analýzach vychádza z maximálnych ročných prietokov. Uvažuje sa teda len s jednou hodnotou za rok. Takýto prístup nezahŕňa do analýz prietoky, svojou veľkosťou v roku druhé alebo tretie v poradí, ktoré môžu byť však väčšie ako maximálne prietoky v iných rokoch (Kite, 1977; Chow a kol., 1988). Preto je výhodné použiť metódu POT, pri ktorej sú do analýz zahrnuté všetky hodnoty prietokov nad zvolenú prahovú hodnotu (Bayliss, 1999; Rao a Hamed, 2000; 21
P. Bača, V. Bačová Mitková Black a Burns, 2002; Ouarda a kol., 2006). Okrem toho umožňuje táto metóda identifikovať zmeny vo frekvencii výskytu extrémnych prietokov v rozdielnych sezónach roka. Cieľom príspevku bolo analyzovať zmeny vo frekvencii výskytu extrémnych hydrologických situácií na poľnohospodársky využívanom malom povodí Rybárik vo flyšovom pásme pri Považskej Bystrici v období 40- tich rokov 1964/65–2003/04. POT metóda bola aplikovaná zvlášť pre zimné a letné hydrologické polroky. Povodie Rybárik je súčasťou experimentálneho povodia potoka Mošteník, ktoré bolo založené ako Prírodné hydrologické laboratórium v roku 1958 a je časťou povodia rieky Váh, hlavného prítoku rieky Dunaj na území Slovenska. Územie potoka Mošteník patrí do Strážovskej vrchoviny, ktorú možno zaradiť do vrchovinnej a čiastočne stredohorskej oblasti Slovenska. Plocha povodia Rybárik je 0,12 km 2 s priemernou nadmorskou výškou 400 m n. m. (min 375 m n. m., max 434 m n. m.). V povodí sa nachádza prameň potoka Jelšové, ktorého dĺžka po záverečný profil povodia je 255 m a priemerný sklon 9,1 %. Tvar povodia je výrazne vejárovitý, priemerný sklon povodia je 14,9 %. Z geologického pohľadu je povodie súčasťou flyšového pásma so striedajúcimi sa ílovými a pieskovcovými vrstvami. Pôdny druh je zastúpený ílovito-hlinitými pôdami a pôdny typ hnedozemou. Spôsob využívania krajiny je prevažne poľnohospodársky, len 10,4 % z celkovej rozlohy povodia je pokryté lesom. Priemerná ročná teplota je 8,09 °C, priemerný ročný úhrn zrážok je 738 mm, priemerná ročná odtoková výška je 231 mm/rok, bilančný výpar 507 mm a koeficient odtoku 0,31 (za 40-ročné obdobie rokov 1965–2004). V záujmovom povodí Rybárik existuje v záverečnom profile vybudovaný merný priepad s limnigrafom, určený na kontinuálny záznam vodného stavu. Pomocou merných kriviek prietokov získaných tarovaním bol vyhotovený kontinuálny záznam prietokov. Údaje získané za 40-ročné obdobie rokov 1965–2004 ukazujú, že vodný stav potoka Jelšové je väčšiu časť roka ustálený. Hodnoty prietokov vody sú nízke a pohybujú sa od 0,04 l s -1 do približne 0,5 l s -1 . K výraznému zvyšovaniu vodného stavu dochádza počas hydrologických situácií vyvolaných topením snehovej pokrývky (v zimných a jarných mesiacoch) a intenzívnymi zrážkami (vo vegetačnom období). Maximálne ročné kulminačné prietoky sa pohybujú od 10,9 l s -1 do 364,2 l s -1 . Podrobnejšie informácie o režime odtoku podáva Pekárová a kol. (2005). Hoci boli vodné stavy merané kontinuálne, analyzované boli len priemerné denné hodnoty vzhľadom na chýbajúce archívne údaje o okamžitých vrcholových prietokoch. Kvôli lepšej homogenite údajov bola POT metóda aplikovaná zvlášť pre zimné a letné hydrologické polroky. Boli zvolené prahové hodnoty prietokov tak, aby sa prietoky nad prahovými hodnotami vyskytli v priemere 1.0-, resp. 0.2-krát za sezónu. Nezávislosť vybraných hodnôt priemerných denných prietokov bola zaistená nasledujúcimi kritériami: − hodnota vybraného priemerného denného prietoku je vyššia ako hodnoty v predchádzajúcom a nasledujúcom dni; − pre zimné polroky sa uvažovalo, že hodnoty priemerných denných prietokov sa v čase medzi dvoma prietokmi vybranými pre POT analýzy významne nemenili a boli nízke; − pre letné polroky, kedy je reakcia povodia na prívalové zrážky rýchla, bol zvolený časový interval medzi dvoma prietokmi vybranými pre POT analýzy prinajmenšom tri dni a minimálna hodnota priemerného denného prietoku v tomto čase bola nízka. Použitie priemerných denných hodnôt prietokov prináša so sebou určité neistoty. Kulminačné prietoky sa totiž nemusia vyskytovať v dňoch s najväčšími priemerným prietokomi (Linsley a kol., 1949). Výsledky na obr. 2 a 3 ukazujú, že frekvencia výskytu priemerných denných prietokov nad zvolenou vyššou prahovou hodnotou (0,2-krát za sezónu) klesla v posledných dvoch dekádach (1984/85–1993/94 a 1994/95–2003/04). Najextrémnejšie hodnoty sa vyskytli v rokoch 1964/65–1973/74 (predovšetkým v letných polrokoch) a 1974/75–1983/84 (najmä počas topenia snehovej pokrývky). V prvom desaťročí sa počas letných prívalových vĺn, spôsobených intenzívnymi zrážkami vyskytli 4 najvyššie hodnoty denných prietokov za celé skúmané obdobie (obr. 4). Všeobecne sa však vyššie hodnoty priemerných denných prietokov objavujú v zimných polrokoch. Počas skúmaného obdobia 40-tich rokov nebolo povodie ovplyvnené významnými zmenami ľudskej činnosti, ktoré by mohli vyvolať zmenu vo frekvencii výskytu extrémnych hydrologických udalostí. Je preto nanajvýš pravdepodobné, že vplyv klimatických zmien na intenzifikáciu hydrologického cyklu, predpokladaný na severnej pologuli (Manabe a kol., 2004), nebol zatiaľ v skúmanom povodí Rybárik zaznamenaný. Podobné výsledky z horských povodí stredného Slovenska prinášajú aj Holko a Kostka (2005) a z vybraných povodí v Kanade Zhang a kol. ( 2001). 22
- Page 1 and 2: J. Hydrol. Hydromech., 55, 2007, 1,
- Page 3 and 4: P. Bača, V. Bačová Mitková and
- Page 5: P. Bača, V. Bačová Mitková As n
P. Bača, V. Bačová Mitková<br />
Black a Burns, 2002; Ouarda a kol., 2006). Okrem toho<br />
umožňuje táto metóda identifikovať zmeny vo frekvencii<br />
výskytu extrémnych prietokov v rozdielnych sezónach<br />
roka.<br />
Cieľom príspevku bolo analyzovať zmeny vo frekvencii<br />
výskytu extrémnych hydrologických situácií na<br />
poľnohospodársky využívanom malom povodí Rybárik<br />
vo flyšovom pásme pri Považskej Bystrici v období 40-<br />
tich rokov 1964/65–2003/04. POT metóda bola aplikovaná<br />
zvlášť pre zimné a letné hydrologické polroky.<br />
Povodie Rybárik je súčasťou experimentálneho povodia<br />
potoka Mošteník, ktoré bolo založené ako Prírodné<br />
hydrologické laboratórium v roku 1958 a je časťou povodia<br />
rieky Váh, hlavného prítoku rieky Dunaj na území<br />
Slovenska. Územie potoka Mošteník patrí do<br />
Strážovskej vrchoviny, ktorú možno zaradiť do<br />
vrchovinnej a čiastočne stredohorskej oblasti Slovenska.<br />
Plocha povodia Rybárik je 0,12 km 2 s priemernou nadmorskou<br />
výškou 400 m n. m. (min 375 m n. m., max 434<br />
m n. m.). V povodí sa nachádza prameň potoka Jelšové,<br />
ktorého dĺžka po záverečný pr<strong>of</strong>il povodia je 255 m a<br />
priemerný sklon 9,1 %. Tvar povodia je výrazne vejárovitý,<br />
priemerný sklon povodia je 14,9 %. Z geologického<br />
pohľadu je povodie súčasťou flyšového<br />
pásma so striedajúcimi sa ílovými a pieskovcovými<br />
vrstvami. Pôdny druh je zastúpený ílovito-hlinitými<br />
pôdami a pôdny typ hnedozemou. Spôsob využívania<br />
krajiny je prevažne poľnohospodársky, len 10,4 %<br />
z celkovej rozlohy povodia je pokryté lesom. Priemerná<br />
ročná teplota je 8,09 °C, priemerný ročný úhrn zrážok je<br />
738 mm, priemerná ročná odtoková výška je 231<br />
mm/rok, bilančný výpar 507 mm a koeficient odtoku<br />
0,31 (za 40-ročné obdobie rokov 1965–2004).<br />
V záujmovom povodí Rybárik existuje v záverečnom<br />
pr<strong>of</strong>ile vybudovaný merný priepad s limnigrafom,<br />
určený na kontinuálny záznam vodného stavu. Pomocou<br />
merných kriviek prietokov získaných tarovaním bol<br />
vyhotovený kontinuálny záznam prietokov. Údaje<br />
získané za 40-ročné obdobie rokov 1965–2004 ukazujú,<br />
že vodný stav potoka Jelšové je väčšiu časť roka<br />
ustálený. Hodnoty prietokov vody sú nízke a pohybujú<br />
sa od 0,04 l s -1 do približne 0,5 l s -1 . K výraznému<br />
zvyšovaniu vodného stavu dochádza počas hydrologických<br />
situácií vyvolaných topením snehovej<br />
pokrývky (v zimných a jarných mesiacoch) a intenzívnymi<br />
zrážkami (vo vegetačnom období). Maximálne<br />
ročné kulminačné prietoky sa pohybujú od 10,9 l s -1 do<br />
364,2 l s -1 . Podrobnejšie informácie o režime odtoku<br />
podáva Pekárová a kol. (2005).<br />
Hoci boli vodné stavy merané kontinuálne, analyzované<br />
boli len priemerné denné hodnoty vzhľadom na<br />
chýbajúce archívne údaje o okamžitých vrcholových<br />
prietokoch. Kvôli lepšej homogenite údajov bola POT<br />
metóda aplikovaná zvlášť pre zimné a letné hydrologické<br />
polroky. Boli zvolené prahové hodnoty prietokov tak,<br />
aby sa prietoky nad prahovými hodnotami vyskytli<br />
v priemere 1.0-, resp. 0.2-krát za sezónu. Nezávislosť<br />
vybraných hodnôt priemerných denných prietokov bola<br />
zaistená nasledujúcimi kritériami:<br />
− hodnota vybraného priemerného denného prietoku je<br />
vyššia ako hodnoty v predchádzajúcom a nasledujúcom<br />
dni;<br />
− pre zimné polroky sa uvažovalo, že hodnoty priemerných<br />
denných prietokov sa v čase medzi dvoma<br />
prietokmi vybranými pre POT analýzy významne<br />
nemenili a boli nízke;<br />
− pre letné polroky, kedy je reakcia povodia na<br />
prívalové zrážky rýchla, bol zvolený časový interval<br />
medzi dvoma prietokmi vybranými pre POT analýzy<br />
prinajmenšom tri dni a minimálna hodnota priemerného<br />
denného prietoku v tomto čase bola nízka.<br />
Použitie priemerných denných hodnôt prietokov<br />
prináša so sebou určité neistoty. Kulminačné prietoky sa<br />
totiž nemusia vyskytovať v dňoch s najväčšími priemerným<br />
prietokomi (Linsley a kol., 1949).<br />
Výsledky na obr. 2 a 3 ukazujú, že frekvencia výskytu<br />
priemerných denných prietokov nad zvolenou vyššou<br />
prahovou hodnotou (0,2-krát za sezónu) klesla<br />
v posledných dvoch dekádach (1984/85–1993/94 a<br />
1994/95–2003/04). Najextrémnejšie hodnoty sa vyskytli<br />
v rokoch 1964/65–1973/74 (predovšetkým v letných<br />
polrokoch) a 1974/75–1983/84 (najmä počas topenia<br />
snehovej pokrývky). V prvom desaťročí sa počas letných<br />
prívalových vĺn, spôsobených intenzívnymi zrážkami<br />
vyskytli 4 najvyššie hodnoty denných prietokov za celé<br />
skúmané obdobie (obr. 4). Všeobecne sa však vyššie<br />
hodnoty priemerných denných prietokov objavujú<br />
v zimných polrokoch.<br />
Počas skúmaného obdobia 40-tich rokov nebolo povodie<br />
ovplyvnené významnými zmenami ľudskej činnosti,<br />
ktoré by mohli vyvolať zmenu vo frekvencii<br />
výskytu extrémnych hydrologických udalostí. Je preto<br />
nanajvýš pravdepodobné, že vplyv klimatických zmien<br />
na intenzifikáciu hydrologického cyklu, predpokladaný<br />
na severnej pologuli (Manabe a kol., 2004), nebol zatiaľ<br />
v skúmanom povodí Rybárik zaznamenaný. Podobné<br />
výsledky z horských povodí stredného Slovenska<br />
prinášajú aj Holko a Kostka (2005) a z vybraných povodí<br />
v Kanade Zhang a kol. ( 2001).<br />
22
Change language